針對(duì)現(xiàn)在抄表系統(tǒng)復(fù)雜度高或成本高等問題，本文設(shè)計(jì)了一套燃?xì)獗頍o線抄表系統(tǒng)，從基本架構(gòu)、主要功能、軟硬件的實(shí)現(xiàn)加以說明，具有實(shí)時(shí)、可靠、經(jīng)濟(jì)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用 M430F413和 EM78P153S為控制單元，CC1100為無線通信單元。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

0引言

隨著城鎮(zhèn)的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然氣的使用也起來起廣泛。天然氣使用的普及范圍也越來越大，如果采用傳統(tǒng)的人工上門抄表方式，將會(huì)浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間。所以大多采用遠(yuǎn)程抄表，目前的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)常用通信方式有： RS232+PSTN通信，電力載波通信， GPRS無線數(shù)傳等：

(1)用 RS232+PSTN組網(wǎng)通信：線路連接時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不夠，當(dāng)集中器數(shù)目較多時(shí)，租用電話線路多，其費(fèi)用也很可觀，不適合大容量的系統(tǒng)；

(2)通過低壓載波通信：該方式數(shù)據(jù)傳輸時(shí)易受電網(wǎng)諧波、電磁信號(hào)、脈沖信號(hào)的干擾，導(dǎo)致錯(cuò)碼、丟碼的情況，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低；

(3) GPRS無線數(shù)傳：無線模塊價(jià)格高，從經(jīng)濟(jì)上考慮難以推廣。

由于現(xiàn)在住宅小區(qū)相對(duì)集中，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)于燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)，具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低、實(shí)時(shí)性和可靠性較好，以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由三部分組成：安裝在用戶家的智能燃?xì)獗怼⒊砣藛T手持的手抄器、中心管理系統(tǒng)。抄表時(shí)，由中心管理系統(tǒng)把各燃?xì)獗淼男畔⑾螺d到手抄器中，抄表人員手持手抄器把欲抄取的燃?xì)獗淼男畔⑼ㄟ^無線方式傳送到相應(yīng)燃?xì)獗?，?dāng)燃?xì)獗韺?duì)要求的功能處理完成后，把抄表信息傳回手抄器，中心管理系統(tǒng)通過手抄器獲得抄表信息，管理人員利用管理系統(tǒng)對(duì)抄表信息進(jìn)行分析處理。

系統(tǒng)的主要功能[1]：對(duì)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查抄、對(duì)燃?xì)獗淼拈_關(guān)閥控制、計(jì)量、充值、收費(fèi)以及管理系統(tǒng)報(bào)表打印，燃?xì)獗砉收献詣?dòng)診斷并報(bào)知管理人員，電源管理等。系統(tǒng)擴(kuò)充靈活，便于維護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)：

(1) 數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)：由于現(xiàn)在的用戶住宅多是小區(qū)，燃?xì)獗戆惭b比較集中，抄表人員在小區(qū)內(nèi)某點(diǎn)能夠抄取整個(gè)小區(qū)的燃?xì)獗硇畔ⅰ?/p>

(2) 系統(tǒng)整體功耗低：系統(tǒng)用電池供電，因此對(duì)手抄器和燃?xì)獗矶家蠊┖牡停娱L(zhǎng)電池使用時(shí)間。

(3) 可靠性高

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1無線通信模塊

在手抄器和燃?xì)獗矶斯灿猛环N無線收發(fā)模塊－－CC1100。CC1100是一種低成本的真正單片的 UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它基于 Chipcon公司的 SmartRF技術(shù)[2,3]，采用 0.18umCMOS工藝制成，可編程配置數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá) 500kbps。其體積小，所需外圍電路較為簡(jiǎn)單，典型應(yīng)用電路包括射頻輸入輸出電路、晶振電路、時(shí)鐘電路以及和微控制器的接口電路三部分。通過 6線 (SLCK、SO、SI、CSn、GDO0、GDO2)SPI就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的配置、狀態(tài)的讀取、緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的讀寫操作，支持 ASK\OOK、FSK、GFSK、 MSK等調(diào)制方式，靈敏度高。為數(shù)據(jù)包的處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、電磁波激發(fā)、連接質(zhì)量指示等提供廣泛的硬件支持，并且還具有內(nèi)置硬件 CRC檢驗(yàn)功能和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊地址控制功能。

2.2燃?xì)獗矶擞布O(shè)計(jì)

燃?xì)獗矶擞布Y(jié)構(gòu)圖如圖 1所示，其中 EM78P153S為處理單元。EM78P153S具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、處理速度快等特點(diǎn)。 EM78P153S通過 CC1100接收來自手抄器的命令，將命令傳送到燃?xì)獗韴?zhí)行并讀取燃?xì)獗矸祷氐臄?shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)通過 CC1100傳送回手抄器。 TPS61020為穩(wěn)壓電源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，并且具有低壓指示功能，處理單元可根據(jù)此指示向用戶發(fā)出報(bào)警信息。

2.3手抄器硬件設(shè)計(jì)

手抄器硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示，其中 M430F413[4]為處理單元，AT24C為存儲(chǔ)單元， ST7920為 LCD顯示單元， CP2102用于手抄器與管理系統(tǒng)的連接。 M430F413是一種具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的 16位單片機(jī)，片內(nèi)集成了大量的外圍器件。當(dāng)運(yùn)行在 1MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流可因工作模式不同在 0.1?A～300?A(3.3V)之間，工作電壓為 1.8V～3.6V。

AT24C系列為遵守 I2C總線規(guī)范的 EEPROM，連線和軟件設(shè)計(jì)都較簡(jiǎn)單，可在同一總線上連接兩個(gè)此類器件，速率可被動(dòng)調(diào)節(jié)，掉電后數(shù)據(jù)不丟失。本系統(tǒng)采用 AT24C1024存儲(chǔ)字庫，AT24C4096存儲(chǔ)用戶抄表信息。 CP2102為 USB和 UART之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，通過 CP2102能夠使管理中心的 USB接口與 M430F413的串行接口之間傳送數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的軟件流程

管理員先將欲抄表用戶信息下載到手抄器，抄表員手持手抄器進(jìn)行抄表。當(dāng)燃?xì)獗硎盏絾拘汛a后，就繼續(xù)接收命令幀。當(dāng)燃?xì)獗碓?2s鐘內(nèi)未收到任何命令，則休眠；若收到命令幀，先檢查是否為讀表地址命令，若是則直接將本表地址打包發(fā)送回手抄器，若不是，則檢測(cè)收到的地址是否為本表地址，若不是說明是發(fā)送給其它表的，則繼續(xù)接收，直到 2s時(shí)間到；若是，則將此命令發(fā)送到燃?xì)獗韴?zhí)行，并讀取執(zhí)行結(jié)果。最后將讀取的結(jié)果打包發(fā)送回抄表器。其處理流程如圖 3所示。

3.2無線通信設(shè)計(jì)

CC1100通過 SPI編程配置其功能。在本系統(tǒng)中，除了其常用功能外，如信道偵聽、同步字檢測(cè)、地址匹配等，還充分利用了其內(nèi)置硬件 CRC檢驗(yàn)和 WOR功能。CC1100發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，處理單元先把欲發(fā)送的數(shù)據(jù)送到 CC1100的發(fā)送緩沖區(qū)，由其自動(dòng)發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在接收緩沖區(qū)，再發(fā)送高電平脈沖信號(hào)通知處理單元讀取數(shù)據(jù)。

CC1100配置時(shí)使能 CRC檢驗(yàn)功能，則在將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)后，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC檢驗(yàn)，并將檢驗(yàn)碼附于數(shù)據(jù)之后一起發(fā)送；在接收端，具有載波偵聽功能，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)也自動(dòng)進(jìn)行 CRC檢驗(yàn)，并將此 CRC碼和接收到的 CRC碼進(jìn)行比較，若不相同，則數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，丟棄此包，繼續(xù)對(duì)信道進(jìn)行偵聽，若相同，則發(fā)送電平信號(hào)到處理單元，由處理單元讀取接收緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。在燃?xì)獗矶?，使?WOR功能。通過寄存器的設(shè)置，使 CC1100在休眠 EVENT0時(shí)間后，自動(dòng)喚醒并處于接收狀態(tài) EVENT1時(shí)間。若在 EVENT1時(shí)間內(nèi)，未接收到有效的數(shù)據(jù)則繼續(xù)休眠，若數(shù)據(jù)正確，對(duì)處理單元產(chǎn)生一個(gè)中斷，并等待接收數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，設(shè)置 EVENT0為 1.2s，EVENT1為 9ms。為保證手抄器和燃?xì)獗碇?間的可靠連接，在手抄器抄表時(shí)先發(fā)送 1.5s的喚醒碼，用于將處理單元從休眠模式喚醒。

系統(tǒng)采用 433MHz/38.4kbps速率，對(duì)于同樣的信息若數(shù)據(jù)包越小則 EVENT1就可設(shè)置越小，對(duì)于系統(tǒng)的節(jié)能更有效。在通信中，采用固定包長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，其格式如表 1所示，其中數(shù)據(jù)為欲發(fā)送的指令和參數(shù)或從燃?xì)獗矶俗x取的數(shù)據(jù)，在由手抄器到燃?xì)獗淼倪^程中，狀態(tài)碼和錯(cuò)誤代碼為隨機(jī)數(shù)。

3.3手抄器端存儲(chǔ)單元的軟件設(shè)計(jì)

手抄采用 AT24C1024存儲(chǔ)字庫，其存儲(chǔ)量為 128K字節(jié)，漢字以點(diǎn)陣形式存儲(chǔ)，每個(gè)漢字需要 32字節(jié)。在初始時(shí)，只存儲(chǔ) 3000個(gè)常用漢字，預(yù)留一定空間來存儲(chǔ)抄表時(shí)遇到的生僻字。使用 AT24C4096存儲(chǔ)用戶記錄信息，用戶記錄為 64字節(jié)，其格式如表 2所示。抄表時(shí)，提取出燃?xì)獗淼刂泛兔钭止?jié)，加以幀頭、長(zhǎng)度、檢驗(yàn)碼等信息組成與燃?xì)獗碇g的通信幀。

4系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)采用電池供電，所以低功耗設(shè)計(jì)顯得非常重要。系統(tǒng)所選用的 M430F413、 EM78P153S和 CC1100都能夠滿足低功耗設(shè)計(jì)的要求。它們都具有休眠模式和工作模式。

M430F413在休眠模式下電流低于 2?A，在工作模式下電流為 300?A。EM78P153S在休眠模式時(shí)電流為 1?A，在工作狀態(tài)時(shí)電流低于 1.5mA。CC1100在休眠模式時(shí)電流為 8.7?A，當(dāng)為 433MHz，38.4kbps速率時(shí)，接收狀態(tài)下電流為 14.3mA，發(fā)送狀態(tài)下電流為 15.3mA，空閑狀態(tài)下電流為 1.6mA。所以只要設(shè)置休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)的時(shí)間比，就可以使其功耗很低。在這里我們?cè)O(shè)置 CC1100的休眠時(shí)間為 1.2s，工作時(shí)間為 9ms。控制器一般狀態(tài)下處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到有效的幀后，控制器和 CC1100同時(shí)工作 2s時(shí)間。由于抄表周期比較長(zhǎng)，因此手抄器大部分時(shí)間處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，燃?xì)獗矶舜蟛糠謺r(shí)間處于休眠狀態(tài)，經(jīng)測(cè)試，燃?xì)獗矶说钠骄娏飨牡陀?100?A，能很好的滿足要求。經(jīng)測(cè)試，數(shù)據(jù)的有效傳輸距離可達(dá) 600m，對(duì)此設(shè)計(jì)了群抄功能，手抄器在發(fā)送一次喚醒碼后，可同時(shí)讀取同一片區(qū)內(nèi)多個(gè)燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)，降低了手抄器的工作時(shí)間。５ 結(jié)語

本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)在于選用的無線收發(fā)設(shè)備 CC1100具有 WOR功能，對(duì)于系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了很好的條件；其次是手抄器存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，選取不同的 EEPORM存儲(chǔ)不同的信息，節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用。

自動(dòng)抄表是電子技術(shù)發(fā)展和管理水平提高的必然結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的燃?xì)獗頍o線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，具有成本低、功耗低、實(shí)時(shí)性和可靠性較好，以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)用戶和燃?xì)夤径寄芙邮埽哂休^好的推廣價(jià)值。